CN111725040A

CN111725040A - 一种场发射晶体管的制备方法、场发射晶体管及设备

Info

Publication number: CN111725040A
Application number: CN201910769141.2A
Authority: CN
Inventors: 刘梦; 王跃林; 李铁
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2020-09-29
Anticipated expiration: 2039-08-20
Also published as: CN111725040B

Abstract

本发明涉及半导体器件领域，特别涉及一种场发射晶体管的制备方法、场发射晶体管及设备，包括：制备基础层；其中，所述基础层上设有栅极；在所述基础层上沉积导电层；在所述导电层的两端沉积源极和漏极；刻蚀所述导电层，得到发射尖端；其中，所述刻蚀采用的方法为聚焦离子束刻蚀。本申请所述的场发射晶体管的制备方法，可实现阵列式的发射尖端，有利于提高整体发射电流和电流稳定性。且经过聚焦离子束刻蚀可以形成更小的发射尖端，局部电场增强作用更好。

Description

一种场发射晶体管的制备方法、场发射晶体管及设备

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，特别涉及一种场发射晶体管的制备方法、场发射晶体管及设备。

背景技术

场发射晶体管是真空管技术、半导体技术和纳米技术融合产生的一种新类型晶体管，因其响应速度快、耐高温、抗辐射的特性，在航空航天、深海探测等极端环境中具有极大应用潜力，并有望应用在太赫兹(Tera Hertz，THz)技术领域。

在场发射晶体管中，在阴极表面施加一个足够强的电场(通常在10⁷V/cm以上)，这个电场使阴极电子和真空能级之间的势垒降低、变窄，电子通过隧穿机制进入真空的概率显著提升，在阴极-阳极之间形成场致发射电流。另外，通过调控栅极电压可调控阴阳极之间电流的通断。为降低场发射所需电压，场发射晶体管中阴极、阳极、栅极之间的距离应尽可能小，并锐化阴极形状，以增强局部电场，这对场发射晶体管在低功耗领域的应用具有重要意义。

现有技术已实现了竖直电子发射沟道的场发射晶体管，但这些结构中的发射体为均匀发射体，不具备局部电场增强作用，且竖直的电子发射通道不利于场发射晶体管与其它器件的集成制造。横向发射通道更利于场发射晶体管的集成，目前已通过等离子刻蚀、电子束曝光、聚焦离子束刻蚀等技术实现了具有单个发射尖端的横向场发射晶体管，然而单个发射体在发射过程中易损毁，限制了晶体管可通过的最大电流。因此，需要设计一种新的工艺来制备具有横向电子发射通道和阵列式发射体的场发射晶体管。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的场发射晶体管制备方法不能实现阵列式的发射尖端的问题。

为解决上述技术问题，第一方面，本申请实施例公开了一种场发射晶体管的制备方法，包括：

制备基础层；其中，所述基础层上设有栅极；

在所述基础层上沉积导电层；

在所述导电层的两端沉积源极和漏极；

刻蚀所述导电层，得到发射尖端；

其中，所述刻蚀采用的方法为聚焦离子束刻蚀。

进一步的，所述刻蚀所述导电层，得到发射尖端，包括：设置刻蚀厚度，将所述导电层刻蚀为第一导电区和第二导电区，所述第一导电区和所述第二导电区之间形成有电子通道，所述第一导电区和所述第二导电区不接触。

进一步的，所述刻蚀所述导电层，得到发射尖端，还包括：设置刻蚀图形，在所述第一导电区形成多个第一发射尖端，且所述多个第一发射尖端位于靠近所述电子通道的侧面；

在所述第二导电区形成多个第二发射尖端，且所述多个第二发射尖端位于靠近所述电子通道的侧面；

所述多个第一发射尖端与所述多个第二发射尖端的位置一一对应。

进一步的，任一所述第一发射尖端至与所述第一发射尖端相对应的第二发射尖端之间的距离为一固定值。

进一步的，所述固定值的范围为1nm-1000nm。

进一步的，所述制备基础层，包括：在衬底层上沉积绝缘层，并图形化所述绝缘层。

进一步的，所述制备基础层，还包括：将离子注入所述衬底层的部分区域形成离子注入区，并在所述离子注入区沉积出栅极。

进一步的，所述聚焦离子束刻蚀的电压为1kV-30kV；和/或，所述聚焦离子束的刻蚀电流为1pA-1000pA。

第二方面，本申请实施例公开了一种场发射晶体管，所述场发射晶体管是采用如上所述的制备方法制得。

第三方面，本申请实施例公开了一种设备，包括如上所述的场发射晶体管。

采用上述技术方案，本申请实施例所述的场发射晶体管及其制备方法及应用其的设备具有如下有益效果：

本申请所述的场发射晶体管的制备方法，可实现阵列式的发射尖端，有利于提高整体发射电流和电流稳定性。且经过聚焦离子束刻蚀可以形成更小的发射尖端，局部电场增强作用更好。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一个实施例的场发射晶体管的制备工艺流程图；

图2为本申请一个实施例的场发射晶体管的侧视结构示意图；

图3为本申请一个实施例的场发射晶体管的俯视结构示意图；

以下对附图作补充说明：

1-衬底层；2-绝缘层；3-离子注入区；4-栅极；5-导电层；51-第一导电区；52-第二导电区；53-电子通道；54-第一发射尖端；55-第二发射尖端；6-源极；7-漏极。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

现有的竖直结构场发射晶体管不具备局部电场增强作用，且竖直的电子通道不利于场发射晶体管与其它器件的集成制造。横向结构场发射晶体管具有更好的制造兼容性，但现有制备方法不能实现阵列式的发射尖端。

如图1所示，本申请实施例公开了一种场发射晶体管，包括：制备基础层；其中，基础层上设有栅极4；在基础层上沉积导电层5；在导电层5的两端沉积源极6和漏极7；刻蚀导电层5，得到发射尖端；其中，刻蚀采用的方法为聚焦离子束刻蚀。

如图1所示，本申请实施例中，场发射晶体管的具体制备流程如下：

S10：在衬底层1上沉积绝缘层2；选择合适材料作为衬底层1，衬底层1可以为掺杂或者不掺杂的半导体材料，如硅、砷化镓、氮化镓等。绝缘层2材料可选用氧化硅、氮化硅、氧化铝等绝缘性材料。绝缘层2的厚度为

具体可根据所选绝缘层2材料确定。可选的，沉积方法包括热氧化法、化学气相沉积法、原子层沉积法等。

本实施例中，准备一片低阻硅片作为衬底层1；在一些实施例中，还可以选用一片普通硅片作为衬底层1。在衬底层1上热氧化形成SiO₂层，沉积SiO₂层的厚度为

在一些实施例中，还可以选用普通硅片作为衬底层1，选用低压化学气相沉积LPCVD在衬底层1上形成SiN层，SiN层的厚度为

S20：制备栅极4；在绝缘层2上实施光刻，将绝缘层2图形化。然后按实际需要用光刻胶定义掩模，掩模覆盖在绝缘层2上，掩模用来遮挡绝缘层2。将光刻胶按预设图形刻蚀绝缘层2，图形化绝缘层2采用的方法可以为湿法腐蚀或干法刻蚀，可选的，选用反应离子束RIE刻蚀绝缘层2。制备好掩模后对上述器件进行离子注入。注入离子的种类可为硼、磷等，通过离子注入使栅极4电极和衬底之间形成欧姆接触；本申请实施例中，选用磷离子注入，可选的，离子束的能量为50keV，剂量1×10¹⁵cm^-2。在一些实施例中，还可以选择硼离子注入，离子束的能量为50keV，剂量9×10¹⁴cm^-2。在另一些实施例中，也可以先进行离子注入后再制备掩模遮盖绝缘层2。

离子注入后去除光刻胶，在绝缘层2以及衬底层1上的离子注入区3沉积金属层来制备栅极4。可选的，金属的种类为铂、金、银、铝、铜等金属，沉积方法包括电子束蒸发、磁控溅射、原子层沉积等。金属层的厚度为

具体可根据所选材料确定。本申请实施例中，采用磁控金属溅射工艺沉积金作为栅极4，沉积厚度为

在一些实施例中，还可以采用电子束蒸发沉积铜作为栅极4，沉积厚度为

金属层沉积完成后在金属层上实施光刻，通过光刻定义刻蚀窗口，然后将光刻胶图形转移至金属层上。可选的，图形化金属层可选择干法刻蚀或者湿法腐蚀。本申请实施例中，选用离子束刻蚀去除窗口里的金，然后去胶，完成栅极4电极的制备。

S30：沉积导电层5；在制备好栅极4的器件上进行重新涂胶，光刻，定义图形区，制备掩模。在掩模上沉积导电层5，可选的，导电层5的材料可选用金属，如铂、金、银、铝、铜等，导电层5的材料还可选用半导体，如硅、碳化硅、砷化镓、氮化镓等。沉积导电层5的厚度为5nm-1um。可采用磁控金属溅射工艺或电子束蒸发工艺沉积导电层5。沉积导电层5完成后剥离光刻胶。

S40：制备源极6和漏极7；通过光刻以定义掩模，来制备施加阴极和阳极电压的电极。光刻出定义沉积阴阳极金属区域，在上述区域沉积金属层，可选的，金属种类可为铂、金、银、铝、铜等。可选的，沉积方法包括电子束蒸发、磁控溅射、原子层沉积等。金属层的厚度为

具体可根据所选材料确定。本申请实施例中，采用磁控金属溅射工艺沉积金作为源极6和漏极7，沉积厚度为

然后剥离光刻胶，完成阴极和阳极电极的制备。

至此，在衬底上形成了用于施加电压的金属电极和用于制备发射体的薄膜结构。

S50：刻蚀导电层5形成阵列发射尖端；按预设图形刻蚀导电层5得到尖端，包括：将导电层5刻蚀出第一导电区51和第二导电区52；其中，第一导电区51和第二导电区52之间形成有电子通道53，第一导电区51和第二导电区52不接触；第一导电区51包括多个第一发射尖端54，且多个第一发射尖端54位于靠近电子通道53的侧面；第二导电区52包括多个第二发射尖端55，且多个第二发射尖端55位于靠近电子通道53的侧面；多个第一发射尖端54与多个第二发射尖端55的位置一一对应。

如图2和图3所示，本申请所述的场发射晶体管的制备方法，可实现阵列式的发射尖端，有利于提高整体发射电流和电流稳定性，且经过聚焦离子束刻蚀可以形成更小的发射尖端，局部电场增强作用更好。

本申请实施例中，将完成上述制作的结构置于聚焦离子束系统中，设置离子束刻蚀使用的电压和电流，可选的，聚焦离子束刻蚀的电压为1kV-30kV，聚焦离子束的刻蚀电流为1pA-10000pA。

本申请实施例中，设置FIB刻蚀工艺中离子束束流为30kV，4pA。在一些实施例中，还可以设置FIB中离子束束流为1kV，1000pA。设置刻蚀图案，用以在导电层5形成电子发射电子通道53和阵列式发射尖端。阵列式发射尖端的距离d在1nm至1000nm之间。可选的，刻蚀图案可以为圆形、三角形等。本申请实施例中，设置刻蚀图案为并列的圆形，相邻圆形相距一定距离、相切或相交，圆心连线与源极6和漏极7连线垂直，圆形的半径可以相同或不同。并列圆形的总宽度大于或者等于导电层5的宽度w，刻蚀深度为导电层5的厚度。启动聚焦离子束刻蚀导电层5，形成间距为d的阵列式发射尖端，完成器件制备。

如图2和图3所示，本申请实施例公开了一种场发射晶体管，包括：基础层和导电层5；导电层5设置在基础层上，导电层5的两端分别设有源极6和漏极7；导电层5包括第一导电区51和第二导电区52，第一导电区51和第二导电区52之间形成有电子通道53，第一导电区51与第二导电区52不接触；第一导电区51靠近电子通道53的侧面上设有多个第一发射尖端54，第二导电区52靠近电子通道53的侧面上设有多个第二发射尖端55，多个第一发射尖端54与多个第二发射尖端55的位置一一对应。

本申请实施例中，本申请所述的场发射晶体管，具有多个阵列式发射尖端，阵列式发射尖端的引入有利于提高整体发射电流和稳定性，降低发射电压，适用于场发射晶体管在低功耗领域的应用。

本申请实施例中，导电层5被刻蚀出电子通道53，电子通道53将导电层5分割成第一导电区51和第二导电区52，第一导电区51与第二导电区52位置相对且之间无接触部分。第一导电区51和第二导电区52在靠近电子通道53的侧面设有多对发射尖端，每对尖端包括第一发射尖端54和第二发射尖端55，第一发射尖端54与第二发射尖端55的位置一一对应，即第一发射尖端54和第二发射尖端55的连线与源极6和漏极7的连线平行。可选的，尖端的形状为圆弧相切形成，圆弧的半径可以相等或不相等；可选的，尖端的形状为三角形，优选为等腰三角形。

任一第一发射尖端54至与第一发射尖端54相对应的第二发射尖端55之间的距离为一固定值。固定值的范围为1nm-1000nm。

本申请实施例中，在任何一对发射尖端中，第一发射尖端54到与之对应的第二发射尖端55的距离d为预设的固定值，可选的，d为1nm。在一些实施例中，d还可以为1000nm，具体可根据实际需求设定。

相邻两个第一发射尖端54间的距离相等或不相等；或，相邻两个第二发射尖端55间的距离相等或不相等。

本申请实施例中，第一发射尖端54在第一导电区51上可以是规律分布，也可以为不规律分布；同样的，第二发射尖端55在第二导电区52上可以是规律分布，也可以为不规律分布，无论哪种分布方式，第一发射尖端54与第二发射尖端55均成对出现，且位置相对。

基础层包括衬底层1和绝缘层2，绝缘层2设置在衬底层1上，绝缘层2的端部设有栅极4，栅极4设置在衬底层1上。

本申请实施例中，绝缘层2沉积在衬底层1，绝缘层2的端部设有栅极4，可选的，栅极4可以设置在绝缘层2的一端或两端，栅极4与衬底层1接触。在一些实施例中，栅极4与衬底层1接触的区域通过表面改性处理后沉积出栅极4，如在栅极4所在区域通过离子注入，栅极4与衬底层1之间可以形成欧姆接触。

本申请实施例中，场发射晶体管栅极4设置在衬底层1上，导电层5上的电子发射电子通道53为横向发射电子通道53，便于晶体管与其他器件集成；导电层5上设置出阵列式发射尖端，有利于提高整体发射电流和稳定性，降低发射电压，适用于场发射晶体管在低功耗领域的应用。

本申请实施例还公开了一种场发射晶体管的制备方法，包括：在衬底层1上沉积绝缘层2，并图形化绝缘层2；将离子注入衬底层1的部分区域形成离子注入区3，并在离子注入区3沉积出栅极4；在绝缘层2上沉积导电层5，并在导电层5的两端沉积出源极6和漏极7；按预设图形刻蚀导电层5得到尖端。

本申请实施例中，场发射晶体管与其他器件集成时，由于通过本方法制备的场发射晶体管具有更小的电子通道53，可以提高器件运行速度。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种场发射晶体管的制备方法，其特征在于，包括：

制备基础层；其中，所述基础层上设有栅极(4)；

在所述基础层上沉积导电层(5)；

在所述导电层(5)的两端沉积源极(6)和漏极(7)；

刻蚀所述导电层(5)，得到发射尖端；

其中，所述刻蚀采用的方法为聚焦离子束刻蚀。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述刻蚀所述导电层(5)，得到发射尖端，包括：设置刻蚀厚度，将所述导电层(5)刻蚀为第一导电区(51)和第二导电区(52)，所述第一导电区(51)和所述第二导电区(52)之间形成有电子通道(53)，所述第一导电区(51)和所述第二导电区(52)不接触。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述刻蚀所述导电层(5)，得到发射尖端，还包括：设置刻蚀图形，在所述第一导电区(51)形成多个第一发射尖端(54)，且所述多个第一发射尖端(54)位于靠近所述电子通道(53)的侧面；

在所述第二导电区(52)形成多个第二发射尖端(55)，且所述多个第二发射尖端(55)位于靠近所述电子通道(53)的侧面；

所述多个第一发射尖端(54)与所述多个第二发射尖端(55)的位置一一对应。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，任一所述第一发射尖端(54)至与所述第一发射尖端(54)相对应的第二发射尖端(55)之间的距离为一固定值。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述固定值的范围为1nm-1000nm。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备基础层，包括：在衬底层(1)上沉积绝缘层(2)，并图形化所述绝缘层(2)。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备基础层，还包括：将离子注入所述衬底层(1)的部分区域形成离子注入区(3)，并在所述离子注入区(3)沉积出栅极(4)。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚焦离子束刻蚀的电压为1kV-30kV；和/或，所述聚焦离子束的刻蚀电流为1pA-10000pA。

9.一种场发射晶体管，其特征在于，所述场发射晶体管是采用权利要求1-8任一项所述的制备方法制得。

10.一种设备，其特征在于，包括权利要求9所述的场发射晶体管。